KR101928490B1 - 3d 프린터용 세라믹 소재의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 3d 프린터용 세라믹 소재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 3D 프린터용 세라믹 소재에 관한 것으로, 세라믹 원료에 친환경 소재인 아거(agar)와 글루코스(glucose)로 구성되는 바인더와 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 배합하여 분말 상이나 고체 상의 3D 프린터용 세라믹 소재를 제조함으로써 3D 프린터를 이용한 제품의 제작시 발화가 일어나지 않으면서 정밀한 형상을 형성할 수 있도록 함은 물론, 제품의 대량 생산 가능하도록 한 기술에 관한 것이다.
Description
본 발명은 3D 프린터용 세라믹 소재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 원료에 친환경 소재인 아거(agar)와 글루코스(glucose)로 구성되는 바인더와 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 배합하여 3D 프린터를 이용한 제품의 제작시 발화가 일어나지 않으면서 정밀한 형상을 형성할 수 있도록 하는 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 3D 프린터용 세라믹 소재에 관한 것이다.
일반적인 3D 프린터의 소재는 플라스틱으로 제조되지만 금속, 왁스, 종이, 고무 및 세라믹 등의 다양한 소재도 이용되고 있다.
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3D 프린터의 방식은 크게 절삭형과 적층형으로 구분되며, 절삭형 3D 프린터는 소재를 조각하는 방식으로, 적층형 3D 프린터는 매질을 층층이 쌓아 올려 조형하는 방식으로 이루어진다.
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또한, 적층형 3D 프린팅 방식은 SLS와 DLP 방식이 FDM 방식에 비해 형상 자유도와 정밀도가 양호하지만 SLS와 DLP 방식은 FDM 방식에 비하여 고가인 단점이 있다.
SLS 방식의 3D 프린터는 세라믹의 특성상 3D 프린터 성형 후 초벌과 재벌의 공정이 필요하며, 초벌시 온도는 900℃로서 형상 제작 후 PE의 발화로 인하여 소형 제품 생산에만 활용되고 있는 실정이다. 또한, 세라믹 필라멘트형의 인쇄 소재는 세라믹 소재와 PE의 배합 비율에 따라 프린팅 인쇄 성능과 제품의 정밀성이 좌우되는데 PE를 사용하는 경우에는 정밀한 제품을 성형하기 어려운 문제가 있다.
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특히, PE를 사용하게 되면 초벌시 유독가스가 발생하여 이를 환기시켜야 하는 별도의 환기장치를 필요로 하며, 큰 형상(30cm)을 성형하는 경우에는 성형물이 주저 앉는 현상이 발생한다, 또한, 재벌시 기공이 많이 발생하여 성형되는 제품의 불량률이 매우 높은 문제점이 있다.
본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 세라믹 원료에 친환경 소재인 아거(agar)와 글루코스(glucose)로 구성되는 바인더와 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 배합한 세라믹 소재 조성물을 제조하여 3D 프린터를 이용한 제품의 제작시 발화가 일어나지 않도록 함으로써 대형 제품의 제작이 가능하도록 한 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 3D 프린터용 세라믹 소재를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명에 따른 기술의 다른 목적은 세라믹 원료에 친환경 소재인 아거(agar)와 글루코스(glucose)로 구성되는 바인더와 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 배합한 세라믹 소재 조성물을 제조함으로써 3D 프린터를 이용하여 제품의 제작시 정밀한 형상을 제작할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 기술의 또 다른 목적은 세라믹 원료에 친환경 소재인 아거(agar)와 글루코스(glucose)로 구성되는 바인더와 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 배합한 친환경 세라믹 소재 조성물을 제조함으로써 성형된 세라믹 제품의 소성시 유독가스의 발생을 방지할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명에 따른 기술은 세라믹 원료에 친환경 소재인 아거(agar)와 글루코스(glucose)로 구성되는 바인더와 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 배합한 세라믹 소재 조성물을 제조함으로써 큰 형상(30cm 이상)의 성형물 제작을 보다 용이하게 하여 대형 세라믹 성형물을 대량 생산할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조방법은 카오린 100 중량부에 대하여 스포듀민 75∼80 중량부, 활석 18∼23 중량부, 점토 30∼35 중량부, 장석 18∼23 중량부 및 지르콘 3∼8 중량부의 비율로 혼합 조성하되 각 혼합물은 분쇄된 상태에서 배합이 되는 세라믹 원료 조성단계; 한천(agar)과 글루코스(gucose)를 1 : 1의 비율로 배합하여 바인더를 조성하는 바인더 조성단계; 세라믹 원료 100 중량부에 대하여 바인더 2∼50 중량부의 비율로 혼합하여 원료 조성물을 조성하는 원료 조성물 조성단계; 원료 조성물에 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 혼합하되 세라믹 원료 100 중량부에 대하여 셀룰로오스 0.5∼3 중량부의 비율로 혼합하는 셀룰로오스 혼합단계; 원료 조성물과 셀룰로오스가 혼합된 혼합물을 분말상으로 분쇄하여 소지 조성물을 조성하는 소지 조성물 조성단계; 소지 조성물을 압출성형기의 호퍼에 넣어 80∼95℃의 온도로 가열하여 소지 조성물을 용융시키는 소지 조성물 용융단계; 및 용융된 소지 조성물을 필라멘트로 압출 성형하는 압출성형단계; 를 포함하여 이루어진다.
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본 발명의 기술에 따르면 세라믹 원료에 친환경 소재인 아거(agar)와 글루코스(glucose)로 구성되는 바인더와 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 배합한 세라믹 소재 조성물을 제조하여 3D 프린터를 이용한 제품의 제작시 발화가 일어나지 않도록 함으로써 대형 제품의 제작이 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 기술은 세라믹 원료에 친환경 소재인 아거(agar)와 글루코스(glucose)로 구성되는 바인더와 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 배합한 세라믹 소재 조성물을 통해 3D 프린터를 이용하여 제품의 제작시 정밀한 형상을 제작할 수 있다는 장점과 친환경 세라믹 소재 조성물을 통해 성형된 세라믹 제품의 소성시 유독가스의 발생을 방지할 수 있다는 장점 및 큰 형상(30cm 이상)의 성형물 제작을 보다 용이하게 하여 대형 세라믹 성형물을 대량 생산할 수 있다는 장점이 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조과정을 설명하기 위한 블록도.
도 2 는 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재 조성물의 제조과정을 설명하기 위한 블록도.
도 2 는 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재 조성물의 제조과정을 설명하기 위한 블록도.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 3D 프린터용 세라믹 소재에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조과정을 설명하기 위한 블록도이다.
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도 1 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조과정은 (a) 한천(agar)과 글루코스(glucose)를 일정 비율로 배합하여 바인더를 조성하는 과정(S100), (b) 단계(a) 과정에서 배합 조성된 바인더를 세라믹 원료에 일정 비율로 혼합하여 원료 조성물을 조성하는 과정(S110) 및 (c) 단계(b) 과정에서 혼합 조성된 원료 조성물에 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 혼합하여 소지 조성물을 조성하는 과정(S120)으로 이루어진다.
도 1 에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재는 기존의 3D 프린터 인쇄 기법 중 SLS 방식에서 변형된 3D 프린터 인쇄 기법으로서 기존 SLS(Selective Laser Sintering) 방식에서 사용되는 바인더를 PE 분말 대신에 한천(agar)과 글루코스(glucose)를 1 : 1 의 비율로 배합하여 세라믹 원료에 일정 비율로 혼합 조성한 다음, 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 혼합하여 조성된다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조과정에서제조되는 소지 조성물은 분말 상으로 제조된다.
한편, 전술한 바와 같은 제조과정을 통해 제조되는 본 발명에 따른 3D 프린터 인쇄용 세라믹 소재를 조성하는 한천(agar)과 글루코스(glucose)는 1 : 1 의 비율로 배합되어 바인더를 형성하게 된다. 이때, 한천(agar)은 소지 조성물의 소결시 소결되는 성형물의 점성을 강하게 하여 고형화되는 성형물을 딱딱하게 한다.
다시 말해서, 전술한 바와 같은 바인더를 조성하는 한천(agar)은 레이저 빔에 의해 소지 조성물의 소결시 소결되는 성형물의 점성을 강하게 하여 고형화되는 성형물을 딱딱하게 하는 작용을 하여 큰 성형물(30cm 이상)의 제작시 성형물의 발화가 일어나지 않도록 함으로써 대형 제품의 제작이 가능하도록 한다. 이처럼 한천(agar)은 소결되는 소지 조성물의 점성을 강하게 하여 고형되는 성형물을 딱딱하게 함으로써 대형 제품의 제작이 가능하도록 한다.
다음으로, 전술한 바와 같은 제조과정을 통해 제조되는 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재의 바인더를 조성하는 글루코스(glucose)는 소지 조성물의 소결시 점력을 증가시켜 성형물의 소결이 보다 양호하게 이루어질 수 있도록 하는 작용을 하게 된다.
전술한 바와 같이 소지 조성물의 점성을 강하게 하여 고형되는 성형물을 딱딱하게 함으로써 대형 제품의 제작이 가능하도록 하는 한천(agar)과 소지 조성물의 소결시 점력을 증가시켜 성형물의 소결이 보다 양호하게 이루어질 수 있도록 하는 작용을 하는 글루코스(glucose)가 1 : 1 의 비율로 배합된 바인더는 기존 SLS(Selective Laser Sintering) 방식에서 사용되는 바인더로서의 PE분말을 대신할 수 있도록 하여 소결시 발화되지 않도록 함으로써 성형되는 대형 제품의 제작이 가능하도록 하는 작용을 한다.
다음으로, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재 조성물의 제조과정에서 바인더와 혼합되어 원료 조성물을 조성하는 세라믹 원료는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식의 3D 프린터를 이용하여 소지 조성물의 소결시 제조되는 성형물이 견고하게 성형될 수 있도록 하는 것으로, 이러한 세라믹 원료는 3D 프린터에 의한 성형물의 소결시 바인더와의 결합을 통해 성형물이 견고하게 이루어질 수 있도록 한다.
한편, 전술한 바와 같이 3D 프린터의 레이저 빔에 의한 성형물의 소결시 바인더와의 결합을 통해 성형물이 견고하게 이루어질 수 있도록 하는 세라믹 원료는 카오린, 스포듀민, 활석, 점토, 장석 및 지르콘이 혼합 조성된 것으로, 이러한 세라믹 원료의 혼합 비율은 카오린 100 중량부에 대하여 스포듀민 75∼80 중량부, 활석 18∼23 중량부, 점토 30∼35 중량부, 장석 18∼23 중량부 및 지르콘 3∼8 중량부의 비율로 혼합 조성되어진다.
전술한 바와 같이 카오린 100 중량부에 대하여 스포듀민 75∼80 중량부, 활석 18∼23 중량부, 점토 30∼35 중량부, 장석 18∼23 중량부 및 지르콘 3∼8 중량부의 비율로 혼합 조성된 세라믹 원료는 가장 이상적인 3D 프린터 성형물을 얻기 위한 조성비는 카오린 39중량%, 스포듀민 30중량%, 활석 8중량%, 점토 13중량%, 장석 8중량% 및 지르콘 2중량%의 비율로 각 성분들을 분쇄하여 배합한다.
다음으로, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조과정에서 원료 조성물에 일정 비율로 혼합되는 셀룰로오스 소지 조성물의 소결시 소결되는 성형물의 점성을 강하게 하여 고형화되는 성형물을 딱딱하게 하는 작용을 하게 된다.
따라서, 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조과정에서 PE 분말을 대신하여 한천(agar)과 글루코스(glucose)로 배합된 바인더를 세라믹 원료에 혼합한 원료 조성물에 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 혼합 조성하여 본 발명에서 제조하고자 하는 분말 상의 세라믹 소재 조성물로서의 소지 조성물을 SLS(Selective Laser Sintering) 방식의 3D 프린터를 통해 성형시 발화가 일어나지 않아 대형 제품의 제작이 가능하다.
아울러, 전술한 바와 같이 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조과정을 통해 제조된 본 발명의 3D 프린터용 세라믹 소재를 SLS(Selective Laser Sintering) 방식의 3D 프린터를 통해 성형된 제품을 초벌구이 하는 경우 친환경 바인더와 셀룰로오스(cellulose)로 인하여 유독가스가 발생되지 않게 된다는 장점이 있다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조과정의 단계(a) 과정(S100)에서 한천(agar)과 글루코스(glucose)를 배합하여 바인더를 조성하는 경우 한천(agar)과 글루코스(glucose)는 1 : 1의 비율로 배합되어 바인더를 조성하게 된다.
그리고, 전술한 바와 같이 한천(agar)과 글루코스(glucose)를 1 : 1의 비율로 배합하여 바인더를 조성한 다음에는 단계(b) 과정(S110)을 통해 카오린 100 중량부에 대하여 스포듀민 75∼80 중량부, 활석 18∼23 중량부, 점토 30∼35 중량부, 장석 18∼23 중량부 및 지르콘 3∼8 중량부의 비율로 혼합 조성된 세라믹 원료 100 중량부에 대하여 바인더 2∼50 중량부의 비율로 혼합하여 원료 조성물을 조성한다.
전술한 바와 같이 세라믹 원료에 바인더를 일정 비율로 혼합하여 원료 조성물을 조성한 다음에는 단계(c) 과정(S120)을 통해 원료 조성물에 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 혼합하여 소지 조성물을 조성한다. 이때, 원료 조성물과 셀룰로오스(cellulose)의 혼합 비율은 원료 조성물을 조성하는 세라믹 원료 100 중량부에 대하여 셀룰로오스(cellulose) 0.5∼3 중량부의 비율로 혼합하여 분말 상의 소지 조성물을 조성하게 된다.
따라서, 전술한 바와 같은 제조과정에서와 같이 한천(agar)과 글루코스(glucose)를 1 : 1 의 비율로 배합하여 바인더를 조성(S100)한 다음, 세라믹 원료 100 중량부에 대하여 바인더 2∼50 중량부의 비율로 혼합하여 원료 조성물을 조성(S110)하고, 원료 조성물에 세라믹 원료 100 중량부에 대하여 셀룰로오스(cellulose) 0.5∼3 중량부의 비율로 혼합하여 분말 상의 소지 조성물을 조성하게 되면 본 발명에서 제조하고자 하는 분말 상의 친환경 3D 프린터 인쇄용 세라믹 소재 조성물을 제조하게 된다.
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도 2 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재는 필라멘트 형태로 제조될 수도 있다. 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재는 (A) 한천(agar)과 글루코스(glucose)를 1 : 1의 비율로 배합하여 바인더를 조성하는 과정(S200), (B) 단계(A) 과정에서 배합 조성된 바인더를 세라믹 원료에 일정 비율로 혼합하되 세라믹 원료 100 중량부에 대하여 바인더 2∼50 중량부의 비율로 혼합하여 원료 조성물을 조성하는 과정(S210), (C) 단계(B) 과정에서 혼합 조성된 원료 조성물에 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 혼합하되 세라믹 원료 100 중량부에 대하여 셀룰로오스(cellulose) 0.5∼3 중량부의 비율로 혼합하여 분말 상의 소지 조성물을 조성하는 과정(S220), (D) 단계(C) 과정에서 혼합 조성된 소지 조성물을 압출성형기의 호퍼에 넣어 80∼95℃의 멜팅 온도로 가열하여 소지 조성물을 구성하는 바인더와 셀룰로오스(cellulose)를 용융시키는 과정(S230) 및 (E) 단계(D) 과정에서 용융된 소지 조성물을 압출하는 가운데 필라멘트로 압출 성형하는 과정(S240)으로 이루어진다.
다시 말해서, 도 2 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재는 세라믹 원료 100 중량부에 대하여 한천(agar)과 글루코스(glucose)가 1 : 1의 비율로 배합 조성된 바인더 2∼50 중량부 및 셀룰로오스(cellulose) 0.5∼3 중량부의 비율로 혼합된 분말 상의 소지 조성물을 조성하여 압출성형기를 통해 80∼95℃의 멜팅 온도로 가열하여 소지 조성물을 용융시키는 가운데 필라멘트로 압출 성형된다.
한편. 전술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 제조과정에서 단계(A) 과정(S200)과 단계(B) 과정(S210) 및 단계(C) 과정은 도 1 에 도시된 단계(a) 과정(S100)과 단계(b) 과정(S110) 및 단계(c) 과정(S120)에서와 같은 과정과 동일하므로 해당 과정에 대하여는 도 1 의 단계(a) 과정(S100)과 단계(b) 과정(S110) 및 단계(c) 과정(S120)을 참조하면 될 것이다. 도 2 의 기술에서는 단계(D) 과정(S230) 및 단계(E) 과정(S240)에 대해서만 기술하기로 한다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조과정에서 단계(D) 과정(S230)은 단계(C) 과정(S220)에서와 같이 제조된 분말 상의 소지 조성물을 압출성형기의 호퍼에 넣어 80∼95℃의 멜팅 온도로 가열하여 소지 조성물을 용융시키게 된다. 이때, 용융되는 소지 조성물은 실제 바인더와 셀룰로오스(cellulose)의 용융이 이루어지는 가운데 용융액 상에 세라믹 원료의 결합이 이루어진다.
다음으로, 전술한 바와 같이 제조된 분말 상의 조지 조성물을 압출성형기의 호퍼에 넣어 80∼95℃의 멜팅 온도로 가열하여 소지 조성물을 용융(S230)시킨 다음에는 단계(E) 과정(S240)을 통해 용융된 소지 조성물을 압출하는 가운데 실과 같은 형태의 필라멘트로 압출 성형한다. 이때, 단계(E) 과정(S240)을 통해 최종적으로 제조되는 실과 같은 형태의 압출 성형된 필라멘트가 본 발명의 다른 실시 예에서 제조하고자 하는 3D 프린터용 세라믹 소재이다.
전술한 바와 같이 단계(E) 과정(S240)을 통해 최종적으로 제조되는 실과 같은 형태의 압출 성형된 필라멘트는 필라멘트형 원료를 녹여 적층하는 방식의 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터에 활용할 수 있도록 한 것이다. 이처럼 제조된 필라멘트형 3D 프린터용 세라믹 소재는 고체상으로, 이러한 본 발명에 따른 고체상의 필라멘트형 원료를 용융시켜 적층하는 방식의 성형물 역시도 대형 제품의 제작이 가능함은 물론, 초벌구이하는 경우 유독가스가 발생되지 않게 된다는 장점이 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터용 세라믹 소재는 분말(파우더) 상으로 제조되거나 용융 압출시켜 필라멘트로 제조된다. 이는 분말을 레이저로 소결시키는 원리를 이용하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식의 3D 프린터에 활용할 수 있도록 함은 물론, 필라멘트형 원료를 녹여 적층하는 방식의 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터에 활용할 수 있도록 한다.
아울러, 본 발명에 따른 기술은 세라믹 원료에 친환경 소재인 아거(agar)와 글루코스(glucose)로 구성되는 바인더와 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 배합하여 3D 프린터를 이용한 제품의 제작시 발화가 일어나지 않으면서 정밀한 형상을 형성할 수 있도록 하는 장점이 있다.
본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
Claims (5)
- 카오린 100 중량부에 대하여 스포듀민 75∼80 중량부, 활석 18∼23 중량부, 점토 30∼35 중량부, 장석 18∼23 중량부 및 지르콘 3∼8 중량부의 비율로 혼합 조성하되 각 혼합물은 분쇄된 상태에서 배합이 되는 세라믹 원료 조성단계;
한천(agar)과 글루코스(gucose)를 1 : 1의 비율로 배합하여 바인더를 조성하는 바인더 조성단계;
상기 세라믹 원료 조성단계에서 조성된 세라믹 원료와 상기 바인더 조성단계에서 조성된 바인더를 일정 비율로 혼합하되 세라믹 원료 100 중량부에 대하여 바인더 2∼50 중량부의 비율로 혼합하여 원료 조성물을 조성하는 원료 조성물 조성단계;
상기 원료 조성물 조성단계에서 혼합 조성된 원료 조성물에 셀룰로오스(cellulose)를 일정 비율로 혼합하되 세라믹 원료 100 중량부에 대하여 셀룰로오스 0.5∼3 중량부의 비율로 혼합하는 셀룰로오스 혼합단계;
상기 단계에서 원료 조성물과 셀룰로오스가 혼합된 혼합물을 분말상으로 분쇄하여 소지 조성물을 조성하는 소지 조성물 조성단계;
상기 소지 조성물 조성단계에서 조성된 소지 조성물을 압출성형기의 호퍼에 넣어 80∼95℃의 온도로 가열하여 소지 조성물을 용융시키는 소지 조성물 용융단계; 및
상기 소지 조성물 용융단계에서 용융된 소지 조성물을 필라멘트로 압출 성형하는 압출성형단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 세라믹 소재의 제조방법. - 제1항의 제조방법에 의해서 제조된 3D 프린터용 세라믹 소재.
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